Comprender la tecnología de preparación de películas (MOCVD, pulverización por magnetrones, PECVD)
En este artículo se presentarán varios métodos para fabricar películas delgadas.seguido del proceso de epitaxia (película).
¿Por qué es necesaria la tecnología de película delgada en la fabricación de chips?
Por ejemplo, en la vida diaria, muchas personas disfrutan de comer panqueques. Si un panqueque de forma cuadrada no está condimentado y horneado, no tendrá sabor y la textura no será buena.Algunas personas prefieren un sabor saladoOtros prefieren un sabor dulce, por lo que cepillan una capa de azúcar de malta en la superficie.
Después de cepillar la salsa, la capa de sal o salsa dulce en la superficie del panqueque es como una película.y el panqueque en sí se llama la base.
Por supuesto, durante el procesamiento del chip, hay muchos tipos de funciones para las películas, y los métodos de preparación de películas correspondientes también varían.Vamos a presentar brevemente varios métodos comunes de preparación de películas, incluyendo MOCVD, pulverización por magnetrones, PECVD, etc....
- ¿ Qué?Deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD)
El sistema de crecimiento epitaxial MOCVD es un dispositivo muy complejo y sofisticado, que desempeña un papel crucial en la preparación de películas y nanoestructuras de semiconductores de alta calidad.
El sistema MOCVD consta de cinco componentes principales, cada uno de los cuales desempeña funciones distintas pero interrelacionadas, garantizando colectivamente la eficiencia y la seguridad del proceso de crecimiento del material.
1.1 Sistema de transporte de gasLa principal responsabilidad de este subsistema es controlar con precisión la entrega de varios reactivos a la cámara de reacción, incluida la medición de los reactivos,el momento y la secuencia de su entrega;, así como la regulación del caudal total de gas.
Está compuesto por varios subsistemas, incluido el subsistema de suministro de gas para el transporte de los reactivos, el subsistema de suministro para el suministro de fuentes orgánicas metálicas (MO),el subsistema de suministro de hidritosComo se muestra en la figura siguiente, es el diagrama esquemático de la trayectoria del gas del sistema de crecimiento MOCVD.
AIXTRON CCS 3 x 2" Sistema MOCVD de nitruro de grado de investigación
Diagrama esquemático de la trayectoria del gas del sistema MOCVD
1.2 Sistema de cámara de reacción:Este es el componente central del sistema MOCVD, responsable del proceso de crecimiento real del material.
Esta sección incluye una base de grafito para soportar el sustrato, un calentador para calentar el sustrato, un sensor de temperatura para controlar la temperatura del entorno de crecimiento,una ventana de detección óptica, y un robot automático de carga y descarga para el manejo del sustrato, que se utiliza para automatizar el proceso de carga y descarga, mejorando así la eficiencia de la producción.La figura siguiente muestra el diagrama del estado de calentamiento de la cámara del reactor MOCVD.
Diagrama esquemático del principio de crecimiento en cámara de MOCVD
1.3 Sistema de control del crecimiento:Compuesto por un controlador programable y un ordenador de control, es responsable del control y seguimiento precisos de todo el proceso de crecimiento del MOCVD.
El controlador es responsable de recoger, procesar y emitir varias señales, mientras que el ordenador de control es responsable de registrar y monitorear cada etapa del crecimiento del material,garantizar la estabilidad y la repetibilidad del proceso.
1.4 Sistema de vigilancia in situ:Se compone de termómetros de radiación infrarroja corregidos por reflexión, equipos de monitoreo de reflexión y dispositivos de monitoreo de curvatura.
Este sistema puede controlar en tiempo real los parámetros clave durante el proceso de crecimiento del material, como el grosor y la uniformidad de la película, así como la temperatura del sustrato.permite ajustes y optimizaciones inmediatas del proceso de crecimiento.
1.5 Sistema de tratamiento de los gases de escape:Responsable del manejo de las partículas tóxicas y los gases generados durante el proceso de reacción.
Mediante métodos tales como el craqueo o la catálisis química, estas sustancias nocivas pueden descomponerse y absorberse eficazmente.garantizar la seguridad del entorno de operación y el cumplimiento de las normas de protección del medio ambiente.
Además, los equipos MOCVD se instalan generalmente en habitaciones ultralimpias equipadas con sistemas avanzados de alarma de seguridad, dispositivos de ventilación eficaces y sistemas estrictos de control de temperatura y humedad.Estas instalaciones auxiliares y medidas de seguridad no sólo garantizan la seguridad de los operadores, pero también mejoran la estabilidad del proceso de crecimiento y la calidad de los productos finales.
El diseño y el funcionamiento del sistema MOCVD reflejan los altos estándares de precisión, repetibilidad y seguridad requeridos en el campo de la fabricación de materiales semiconductores.Es una de las tecnologías clave para la fabricación de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos de alto rendimiento.
El sistema MOCVD de cabeza de pulverización de tipo vertical de acoplamiento cerrado (Closed-Coupled-Showerhead, CCS) en la cámara del equipo se utiliza para el cultivo de películas epitaxiales.
Este sistema está diseñado con una estructura única de cabeza de pulverización, cuya característica principal radica en la capacidad de reducir eficazmente las pre-reacciones y lograr una mezcla eficiente de gases.Estos gases se inyectan en la cámara de reacción a través de los agujeros de pulverización entrelazados en la cabeza de pulverización, donde se mezclan completamente y mejoran así la uniformidad y la eficiencia de la reacción.
El diseño de la estructura de la cabeza de pulverización permite que el gas de reacción se distribuya uniformemente sobre el sustrato situado debajo de él,garantizar la consistencia de la concentración de gas de reacción en todas las posiciones del sustratoEsto es crucial para formar una película epitaxial de espesor uniforme.
Además, la rotación del disco de grafito promueve aún más la uniformidad de la capa límite de la reacción química, lo que permite un crecimiento más uniforme de la película epitaxial.,Al reducir la capa límite de la reacción química fina, ayuda a minimizar las diferencias de concentración locales, mejorando así la uniformidad general del crecimiento de la película.
(a) La cabeza de pulverización real y su foto parcialmente agrandada, (b) La intención de la estructura interna de la cabeza de pulverización
II. Las condiciones de trabajoDispersión por pulverización magnética
La pulverización magnética es una técnica física de deposición de vapor comúnmente utilizada para deposición de película delgada y recubrimiento superficial.
Utiliza un campo magnético para liberar los átomos o moléculas de un material objetivo de la superficie del objetivo, y luego forma una película en la superficie del material de sustrato.
Esta tecnología se aplica ampliamente en la fabricación de dispositivos semiconductores, recubrimientos ópticos, recubrimientos cerámicos y otros campos.
Diagrama esquemático del principio de pulverización de magnetrones
El principio de pulverización de magnetrones es el siguiente:
1Selección del material objetivo:El material objetivo es el material que se depositará sobre el material del sustrato, que puede ser metal, aleación, óxido, nitruro, etc.El material de blanco se fija generalmente en un dispositivo llamado arma de blanco.
2. Ambiente de vacío:El proceso de pulverización debe llevarse a cabo en un ambiente de alto vacío para evitar la interacción entre las moléculas de gas y el material objetivo.Esto ayuda a garantizar la pureza y uniformidad de la película depositada.
3. Gas ionizado:Durante el proceso de pulverización, se introduce generalmente un gas inerte (como el argón) para ionizarlo en un plasma. Estos iones, bajo la influencia de un campo magnético, forman una nube de electrones,que se llama "plasma de nube de electrones".
4Aplicación del campo magnético:Se aplica un campo magnético entre el material objetivo y el material del sustrato. Este campo magnético limita el plasma de la nube de electrones a la superficie del material objetivo,manteniendo así un estado de alta energía.
5Proceso de pulverización:Mediante la aplicación de un plasma de nube de electrones de alta energía, los átomos o moléculas del material objetivo son golpeados, liberándose así.Estos átomos o moléculas liberados se depositarán en forma de vapor en la superficie del material del sustrato, formando una película.
Las ventajas del pulverizador de magnetrones incluyen:
1. Uniformidad de la película depositada:El campo magnético puede ayudar a controlar la transmisión de iones, logrando así una deposición uniforme de la película,asegurando que el grosor y las propiedades de la película permanecen constantes en toda la superficie del sustrato.
2- Preparación de aleaciones y compuestos complejos:La pulverización por magnetrón se puede utilizar para fabricar películas de aleaciones y compuestos complejos, que pueden ser más difíciles de lograr mediante otras técnicas de deposición.
3Control y modificabilidad:Al ajustar parámetros como la composición del material objetivo, la presión del gas y la velocidad de deposición, las propiedades de la película, incluido el grosor, la composición y la microestructura,puede ser controlado con precisión.
4Películas de alta calidad:La pulverización por magnetrón puede generalmente producir películas de alta calidad, densas y uniformes con una excelente adhesión y propiedades mecánicas.
5.Multifuncionalidad:Es aplicable a varios tipos de materiales, incluidos metales, óxidos, nitruros, etc. Por lo tanto, tiene amplias aplicaciones en diferentes campos.
6. Deposición a baja temperatura:En comparación con otras técnicas, la pulverización por magnetrones se puede realizar a bajas temperaturas o incluso a temperatura ambiente.que lo hace adecuado para aplicaciones donde el material del sustrato es sensible a la temperatura.
En general, el pulverización por magnetrones es una tecnología de fabricación de películas finas altamente controlable y flexible, aplicable a una amplia gama de campos de aplicación, desde dispositivos electrónicos hasta recubrimientos ópticos,etc..
III. Deposición química de vapor mejorada en plasma
La tecnología de deposición de vapor químico mejorada por plasma (PECVD) se utiliza ampliamente en la preparación de varias películas (como el silicio, el nitruro de silicio y el dióxido de silicio, etc.).
El diagrama estructural del sistema PECVD se muestra en la figura siguiente.
Diagrama esquemático de la estructura del sistema de deposición de vapor químico reforzado con plasma
El principio básico es el siguiente: las sustancias gaseosas que contienen los componentes de la película se introducen en la cámara de deposición.las sustancias gaseosas experimentan reacciones químicas para generar plasmaCuando este plasma se deposita en el sustrato, se produce una película.
Los métodos para iniciar la descarga de brillo incluyen: excitación por radiofrecuencia, excitación por alta tensión de corriente continua, excitación por pulso y excitación por microondas.
El espesor y la composición de las películas preparadas por PECVD presentan una excelente uniformidad.las películas depositadas por este método tienen una fuerte adhesión y pueden alcanzar altas tasas de deposición a temperaturas de deposición relativamente bajas.
En términos generales, el crecimiento de las películas delgadas implica principalmente los siguientes tres procesos:
El primer paso es que el gas reactivo, bajo la excitación del campo electromagnético, se somete a una descarga de brillo para generar plasma.
Durante este proceso, los electrones chocan con el gas reactivo, iniciando una reacción primaria, que conduce a la descomposición del gas reactivo y la generación de iones y grupos reactivos.
El segundo paso es que los diversos productos generados de la reacción primaria se mueven hacia el sustrato,mientras que varios grupos activos e iones experimentan reacciones secundarias para formar productos secundarios.
La tercera fase consiste en la adsorción de varios productos primarios y secundarios en la superficie del sustrato y su posterior reacción con la superficie.se libera sustancias moleculares gaseosas.
IV. Técnicas de caracterización de las películas finas
4.1 Difracción por rayos X (XRD)
XRD (difracción de rayos X) es una técnica comúnmente utilizada para analizar estructuras cristalinas.
Revela información como los parámetros de la red,estructura cristalina y orientación cristalina del material midiendo los patrones de difracción de los rayos X en la estructura cristalina dentro del material.
El XRD se utiliza ampliamente en varios campos como la ciencia de materiales, la física del estado sólido, la química y la geología.
Diagrama esquemático del principio de ensayo XRD
Principio de trabajo: el principio básico de XRD se basa en la ley de Bragg, es decir, cuando un rayo incidente se ilumina sobre una muestra de cristal,si la red atómica o iónica en el cristal está en una disposición específicaEl ángulo y la intensidad de la difracción pueden proporcionar información sobre la estructura del cristal.
Bruker D8 descubre el difractómetro de rayos X
Composición del instrumento: Un instrumento XRD típico consta de los siguientes componentes:
1Fuente de rayos X: Dispositivo que emite rayos X, usualmente usando objetivos de tungsteno o cobre para generar rayos X.
2Plataforma de muestreo: Plataforma para colocar muestras, que puede girarse para ajustar el ángulo de las muestras.
3Detector de rayos X: Se utiliza para medir la intensidad y el ángulo de difracción de la luz.
4Sistema de control y análisis: incluye el sistema de software para controlar la fuente de rayos X, la adquisición, el análisis y la interpretación de datos.
Áreas de aplicación: XRD tiene aplicaciones importantes en muchos campos, incluyendo pero no limitado a:
1Investigación cristalográfica: se utiliza para analizar la estructura cristalina de los cristales, determinar los parámetros de la red y la orientación del cristal.
2Caracterización del material: analizar información como la estructura cristalina, la composición de fase y los defectos cristalinos del material.
3Análisis químico: Identificar las estructuras cristalinas de compuestos inorgánicos y orgánicos, y estudiar las interacciones entre moléculas.
4Análisis de la película: se utiliza para estudiar la estructura cristalina, el grosor y el emparejamiento de la rejilla de la película.
5Mineralogía y geología: se utiliza para identificar los tipos y contenidos de minerales y estudiar la composición de las muestras geológicas.
6Investigación de medicamentos: el análisis de la estructura cristalina de un medicamento es útil para comprender sus propiedades e interacciones.
En general, XRD es una poderosa técnica analítica que permite a los científicos e ingenieros obtener una comprensión profunda de la estructura cristalina y las propiedades de los materiales,Promoviendo así la investigación y las aplicaciones en ciencia de materiales y campos afines.
Foto del difractómetro XRD
4.2 Microscopio electrónico de exploración (SEM)
El microscopio electrónico de escaneo (SEM) es un tipo de microscopio de uso común. Utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para iluminar la muestra,que permita la observación de la superficie y la morfología en alta resolución.
SEM se utiliza ampliamente en campos como la ciencia de los materiales, la biología y la geología.
El principio básico de funcionamiento del SEM es el siguiente:
El SEM utiliza una pistola de electrones para generar un haz de electrones.El haz de electrones pasa a través de un sistema de collimación, que consiste en una serie de lentes de electrones, para enfocar y alinear el haz de electrones, asegurando la estabilidad y el foco del haz.el haz de electrones escanea la superficie de la muestra.
La posición del haz de electrones se puede controlar con precisión, generando así píxeles de escaneo en la muestra.
La muestra se coloca en la etapa de muestra del SEM. La muestra debe ser conductiva porque en el SEM, el haz de electrones debe interactuar con la superficie de la muestra para generar electrones secundarios,etc.Cuando los haces de electrones de alta energía golpean la superficie de la muestra, interactúan con los átomos y moléculas de la muestra.generando varias señalesLa detección SEM analiza las diversas señales generadas por la superficie de la muestra, incluidos principalmente los electrones secundarios (SE) y los electrones invertidos (BSE).
Estas señales proporcionan información sobre la morfología de la superficie, la estructura y la composición de la muestra.SEM puede obtener la información de los píxeles de la superficie de la muestraEsta información es procesada y mostrada por un ordenador, generando imágenes de alta resolución de la superficie de la muestra.
Imagen física del SEM
4.3 Microscopio de fuerza atómica (AFM)
El microscopio de fuerza atómica (AFM) es una técnica microscópica de alta resolución, utilizada principalmente para observar las características a escala atómica y a nanoescala de las muestras.Su principio de funcionamiento se basa en la interacción entre la sonda y la superficie de la muestraMediante la medición de los cambios de posición de la sonda, puede obtener la topografía y la información topológica de la superficie de la muestra.
En el AFM, se utiliza una sonda muy fina, generalmente hecha de silicio u otros materiales con una punta a nanoescala.con la punta de la sonda cerca de la superficie de la muestraCuando la sonda está cerca de la superficie de la muestra, se producen interacciones entre los átomos y moléculas de la muestra y la sonda, incluyendo fuerzas electrostáticas, fuerzas de van der Waals,y las interacciones de enlaces químicosEl movimiento del voladizo o del dispositivo piezoeléctrico se controla para mantener una cierta fuerza entre la punta de la sonda y la superficie de la muestra.
Cuando la altura o la posición de la sonda cambia, la presión de la sonda se mantiene constante.el sistema de retroalimentación ajusta automáticamente la posición del voladizo para mantener la fuerza constanteLa sonda y la muestra se mueven en relación entre sí, generalmente en una rejilla bidimensional, formando un escaneo.la desigualdad de la superficie de la muestra hace que la posición de la punta de la sonda cambieMediante la medición del cambio de posición de la sonda, se puede obtener información topológica de la superficie de la muestra.los datos recogidos se procesan para generar una imagen topológica de alta resolución de la superficie de la muestra..
AFM tiene aplicaciones extensas en múltiples campos. Se utiliza en áreas como la ciencia de materiales, la biología y la nanotecnología,ayudar a los investigadores a obtener una comprensión más profunda de la morfología de la superficie y la estructura de los materiales, e incluso permitiendo la manipulación de estructuras a nanoescala.
Las ventajas de la AFM incluyen alta resolución, no destructividad y múltiples modos de trabajo, lo que la convierte en una poderosa herramienta para observar e investigar a nanoescala.
Imagen física del AFM
Diagrama esquemático del principio de medición y el modo de trabajo de la microscopía de fuerza atómica
Conclusión
ZMSH se especializa en tecnologías avanzadas de deposición de películas delgadas, incluyendo MOCVD, Magnetron Sputtering y PECVD, ofreciendo desarrollo de procesos a medida para semiconductores, optoelectrónica,y aplicaciones de recubrimiento funcional. Nuestros servicios abarcan el diseño de sistemas personalizados, la optimización de parámetros y el crecimiento de películas de alta pureza, junto con la venta de equipos de deposición de precisión para satisfacer las necesidades de I + D y producción industrial.
Estos son los productos de SiC recomendados por ZMSH:
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